Dimensionierung von Fernwärmenetzen

Als einfache Form von Fernwärme verteilten bereits die Römer vor über 2 000 Jahren Thermalwasser für Bäder und Fußbodenheizungen in Gebäuden. Technische Fernwärmenetze wurden gegen Ende des 19. Jahrhunderts eingeführt und fanden in Europa vor allem seit 1960 eine größere Verbreitung [1; 2]. Für die Wärmebereitstellung kamen früher oft fossile Feuerungen zum Einsatz, während größere Netze heute meist mit Abwärme betrieben und für kleinere Netze Biomasse-Heizwerke errichtet werden. Für Biomasse bietet Fernwärme Vorteile in Bezug auf Komfort und Luftreinhaltung. Dem stehen zusätzliche Kosten für das Fernwärmenetz und die Wärmeverluste des Netzes gegenüber. Da die Netzauslegung die Verluste und die Kosten der Wärmeverteilung beeinflusst, wird im Beitrag der Einfluss der Auslegungsparameter auf die Effizienz und Wirtschaftlichkeit anhand von einer Sensitivitätsanalyse untersucht.

Grundlagen

Für eine gegebene Anschlussleistung und Vorlauftemperatur werden die Effizienz und Wirtschaftlichkeit eines Fernwärmenetzes vor allem durch folgende fünf Faktoren beeinflusst:

1. Die Wärmeverluste des Netzes verursachen einen zusätzlichen Wärmebedarf. Im Falle eines Heizkessels wird dazu Brennstoff verbraucht, dessen Energie­inhalt den Wärmeverlusten dividiert durch den Kesselwirkungsgrad entspricht.
2. Eine Verkleinerung der Rohrdurchmesser bewirkt niedrigere Kapitalkosten und Brennstoffkosten, gleichzeitig steigen der Druckverlust und damit die Pumpleistung und die Stromkosten.
3. Die Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf bestimmt die mit einem bestimmten Volumenstrom transportierbare Wärmeleistung:

Bild 1 zeigt den zum Transport von 1 MW Wärmeleistung erforderlichen Volumenstrom in Funktion der Temperaturspreizung. Eine hohe Temperaturspreizung ermöglicht den Einsatz kleiner Rohre, wodurch die Kapitalkosten und die Wärmeverluste sinken, während für ein gegebenes Netz die Anschlussleistung durch Vergrößerung der Temperaturspreizung erhöht werden kann.

1. Durch Anhebung des Temperaturniveaus steigen die Wärmeverluste. Gleichzeitig kann die Effizienz des Wärmeerzeugers sinken, was vor allem für Heizkessel mit Abgaskondensation, Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Wärmepumpen entscheidend ist.
2. Für einen wirtschaftlichen Betrieb eines Fernwärmenetzes ist auch die Wärmeübertragung auf der Verbraucherseite (den Hausstationen) wichtig, da die übertragbare Wärmeleistung bei Nichterreichen der Temperaturspreizung sinkt und die Netzverluste steigen.

Methode

Wirtschaftlichkeit

Für die Wirtschaftlichkeit werden die Kapitalkosten nach der Annuitätenmethode bestimmt, während sich die Betriebskosten aus den Brennstoffkosten zur Deckung der Wärmeverluste und den Stromkosten für den Netzbetrieb ergeben. Die Kosten für den Unterhalt werden vernachlässigt. Für die Wärmeverteilkosten c bezogen auf die Wärme am Netzeingang gilt damit c = c_K + c_B in [Ct/kWh] mit:

Annahmen

Für den Referenzfall wird mit einer Annuität von 5,1 %/a gerechnet, was einem Zinssatz von 3,0 %/a bei 30 Jahren entspricht. Die Investitionskosten für Rohre, Verlegung und Tiefbau werden mit Richtwerten der Branche nach Tabelle 1, die durch Erfahrungen bestätigt wurden, angenommen [3].

Tabelle 1 Investitionskosten in Euro pro Trassenmeter für Fernwärmenetze mit Dämmstärke (DS) 2.

Als Basis dienen erd­verlegte Kunststoffverbundmantelrohre (KMR) in offenem Gelände. Für Straßen ist für DN 80 mit 23 % und für DN 200 mit 18 % höheren Kosten zu rechnen.

Für die Brennstoffkosten zur Deckung der Netzverluste wird ein Preis von 5,0 Ct pro ins Netz eingespeiste kWh Wärme angenommen. Dies entspricht Energieholz zu 4,15 Ct/kWh mit Jahresnutzungsgrad 83 % oder Strom zu 15 Ct/kWh und einer Wärmepumpe mit Jahresarbeitszahl 3.0. Die Wärmeverluste werden nach Tabelle 2 berechnet.

Tabelle 2 Annahmen für Wärme- und Strömungsverluste.

Die Stromkosten für die Pumpleistung werden durch Massenstrom, Druckverlust und Pumpwirkungsgrad sowie Betriebsdauer des Netzes bestimmt. Der Druckverlust ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit, die zur Vermeidung von Kavitation und Lärm auf einen vom Durchmesser abhängigen Maximalwert nach Tabelle 3 begrenzt wird.

Tabelle 3 Nenndurchmesser (DN) mit effektiven Durchmessern für KMR und maximale Fließgeschwindigkeiten nach ÖKL [4] für Haupt- und Zweigleitungen.

Für den Referenzfall wird ein „worst case“ für die Stromkosten mit einem Netzbetrieb mit 8 760 Vollbetriebsstunden pro Jahr angenommen. Bei geregelten Netzen wird der Volumenstrom bedarfsgerecht reduziert, wobei die theoretische Pumpleistung bei halbem Volumenstrom auf ein Viertel sinkt. Aufgrund von Erfahrungswerten wird als realitätsnaher oder hier optimistischer Wert damit gerechnet, dass sich die Pumpleistung proportional zur Vollbetriebsstundenzahl der Wärmeabnehmer reduziert.

Netzdimensionierung

Für einen durch die Leistung und die Temperaturspreizung bestimmten Volumenstrom verbleibt der Rohrdurchmesser als Auslegungsparameter zur Netzdimensionierung. Als Bedingung für den Mindestdurchmesser dient die in Tabelle 3 eingeführte Limitierung der Fließgeschwindigkeit. Alternativ kommen auch Branchenempfehlungen aus Schweden infrage [2], während in der Schweiz eine Begrenzung des Druckverlusts auf 150 bis 200 Pa/m für Dauerbetrieb [5] sowie 250 Pa/m für maximal 500 h/a [3] empfohlen wird. Bild 2 zeigt einen Vergleich verschiedener Auslegungswerte.

Definition des Fernwärmenetzes